专利名称：连续电去离子装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电去离子装置，特别是具有板框式组件的利用离子选择电渗透除去水中离子的装置。
背景技术：
连续电除盐技术又称电去离子技术(electrodeionization，下文中简称EDI)是利用可导离子材料(如离子交换树脂和离子交换膜)和电流的共同做用，对流体中离子态或可离子化物质(杂质)进行分离的一种技术。由于EDI组件在使用时，不需要酸碱再生，产水水质可以达到或超过离子交换法所能达到的水质，且产水水质稳定，能够连续操作，装置占地少于离子交换法，不需要处理废酸碱等优点，在纯水和超纯水制造领域，EDI技术逐渐取代了离子交换技术，被广泛应用于半导体、电子、电力、石化、医药、食品等领域。
现有的典型EDI组件如图1所示，电极包括阳极1和阴极2，电极间由两类离子交换膜即阴离子交换膜3和阳离子交换膜4分隔出的一个或多个除盐单元或称淡水室5，淡水室5之间形成的单元称为浓水室6。靠近电极1、2的两个浓水单元分别称作阳极水室7a、阴极水室7b。阳离子交换膜4和阴离子交换膜3这两种膜具有选择透过性，阳离子交换膜4只允许阳离子通过，阴离子交换膜3则只允许阴离子通过。在两个电极1、2间，两种离子交换膜呈交替方式排列。在淡水室5中，阳离子交换膜4位于阴极2一侧，阴离子交换膜3位于阳极1一侧。在浓水室6中，阳离子交换膜4位于阳极1一侧，阴离子交换膜3位于阴极2一侧。在淡水室5中填加可导离子材料8，如离子交换树脂。在浓水室6和极水室7中，可以填加可导离子材料，也可以填充惰性材料如塑料网格。
在使用EDI组件时，在垂直于离子交换膜的方向上施加直流电流，见图2。在淡水室5水流中的离子，首先和离子交换树脂8发生交换，交换到离子交换树脂8上的离子，在电流的作用下，分别向两个电极1、2方向迁移，阳离子向阴极2方向迁移，最终迁移到阳离子交换膜4并通过该膜，进入到相邻的浓水室6中；阴离子向阳极1方向迁移，最终通过阴离子交换膜3进入到相邻的浓水室6中。进入浓水室6的离子在电流的作用下将继续向电极1方向迁移，由于离子交换膜的选择透过性，透过阳离子交换膜4从淡水室5进入到浓水室6中的阳离子会被浓水室6另一侧的阴离子交换膜3挡住，而不能重新回到淡水室5中；同样地，透过阴离子交换膜3进入到浓水室6中的阴离子会被浓水室6另一侧的阳离子交换膜4挡住，不能重新回到淡水室5中。进入到浓水室6的离子，会随着浓水水流而被移出EDI组件。这样就达到了对淡水室中淡水的脱盐作用。
在离子交换树脂的界面处和树脂与膜的界面处，水分子在一定电压的作用下会发生裂解反应，生成了氢离子和氢氧根离子。所生成的氢离子和氢氧根离子会对淡水室5中的离子交换树脂8起到再生作用。因此，EDI是不需要另外加酸和碱对离子交换树脂进行再生的。
EDI组件分为板框式和螺旋卷式两类。板框式EDI也称叠片式，其设计是将电极、离子交换膜、淡水室、浓水室和极水室以平面平行的方式叠放在一起，构成有一个或多个淡水室的EDI组件。这方面的详细描述见专利文献如US4632745，US4925541，US5211823，US5316637，US5154809，US5868915，US6235166。螺旋卷式EDI是将阴阳离子交换膜之间夹入绝缘网格，构成一个浓水单元，将此浓水单元以兼作一个电极的浓水配集管为螺旋轴向中心卷制成圆筒状，将此圆筒状膜芯放入兼做另一电极的筒状壳体中，相邻的浓水通道间填充树脂构成淡水单元。详细描述见专利文献如CN98225671.X和US6190528。
现有板框式EDI组件的淡水水流和浓水水流为并流形式，即淡水和浓水的流向相同，如图2所示。在淡水室5的进水区域，首先是高价易脱除离子如硫酸根、钙离子和镁离子等首先被离子交换树脂捕获(交换)，然后低价离子如氯离子和钠离子与离子交换树脂发生交换，最后，在淡水室5出水端，弱电离的阴离子如碳酸根、碳酸氢根、有机硅等阴离子和阳离子如铵离子与离子交换树脂交换。交换到离子交换树脂上的离子在电流的作用下，通过离子交换树脂和离子交换膜，从淡水室5迁移到浓水室6。对于弱电离的离子，可能不会完全从淡水室5中迁移出而进入到浓水室6，而是部分被脱除。在淡水室5的出水端，水分子在电流的作用下，会发生裂解反应，产生出氢离子和氢氧根离子。同样地，氢离子和氢氧根离子在电流的作用下，也会从淡水室5向浓水室6迁移。
进入到浓水室6中的离子在电流的作用下，会继续向电极的方向迁移。在浓水室6中，通过阴离子交换膜3进入到浓水室6的阴离子向阳极1方向迁移，当它们到达浓水室6另一侧的阳离子交换膜4时，由于离子交换膜的选择性透过性，阴离子不能透过阳离子交换膜4，因此不能够重新返回到淡水室5中。同样地，通过阳离子交换膜4进入到浓水室6的阳离子会向阴极2方向迁移，当它们到达浓水室6另一侧的阴离子交换膜3时，被阻挡而不会返回到淡水室5中。这样，在组件的出水端，浓水室6中靠近阳离子交换膜4表面的局部，从淡水室5迁移过来的阴离子如硫酸根离子等浓度较高；而在浓水室6中靠近阴离子交换膜3表面的局部，从淡水室5迁移过来的阳离子如钙离子和镁离子等浓度较高。
施加于组件上的电流是由离子的迁移来实现的。在组件进水端，迁移离子主要为进水中易脱除的高价杂质离子；而在组件的出水端，迁移离子主要是难脱除的低价杂质离子或弱电离离子，如碳酸氢根、碳酸根和有机硅离子等，和由水分子电离而产生的氢离子和氢氧根离子。因此，在组件出水端浓水室6中，靠近阳离子交换膜4一侧，有较多的氢离子进入，而使局部的pH值降低；而在浓水室6中靠近阴离子交换膜3一侧，有较多的碳酸氢根、碳酸根和氢氧根离子进入，而使该局部的pH值升高。
这样一来，在EDI组件出水端的浓水室6中，靠近阴离子交换膜3表面的局部，硬度离子如钙离子和镁离子将和从淡水室5中迁移过来的氢氧根离子、碳酸氢根和碳酸根等离子相遇，结果将造成在浓水室6中特别是在阴离子交换膜3浓水室一侧发生结垢。而浓水室6中如果发生结垢，首先会使离子交换膜的性能降低，从而影响组件的脱盐性能；结垢使离子的迁移受到影响，从而使组件的电阻增高，使组件的电压升高；由于浓水室6中结垢，则浓水水流不畅，而不能将由电流所产生的热及时移出组件，进一步地就会发生组件的局部过热，最终导致离子交换膜和其它部件的高温破坏。
在螺旋卷式EDI设计中，组件的浓水室如图3所示。中心管9和浓水室10被分为上下两个部分，浓水是通过中心管的下部分11进入组件，经过下部分管壁上的开口进入到下部浓水室10。然后，沿着浓水流道螺旋式向外壳12方向流动。到达最外层浓水包覆膜13时，少部分浓水14从该膜开孔进入到外壳电极的极水室15，并从极水室上部极水口16流出组件。其余部分浓水向上并折返回上部的浓水室10，并沿浓水流道螺旋式向中心管9方向流动。最后从中心管9上部的开口流入到中心管上部，并最终从中心管上出口17流出组件。图3中，18是对应淡水室中淡水进水，19是淡水出水。
图3所示的螺旋卷式EDI虽然浓水和淡水水流是以错流方式流动，即两个水流方向约呈90°角，但是，由于浓水水流是以折返方式流动，从淡水水流中脱除并进入到浓水室中的硬度离子(如钙离子)，进入到组件下部分的浓水室中后，还会随着浓水水流又折返流回到组件上部的浓水室中。弱电离离子(如碳酸氢根，碳酸根和有机硅离子等)和由水分子电离而产生的氢离子和氢氧根离子会进入到组件的上部分的浓水室中。这样一来，在组件上部的浓水室中，硬度离子就会和碳酸氢根，碳酸根和氢氧根离子等相遇，所以也会像板框式EDI组件那样，由于结垢而造成诸多对组件的影响。另外，由于浓水在浓水室中呈折返方式流动，在图3中的A和B区域易形成流动不良区或流动死角，从而造成浓水室结垢等系列问题。
发明内容
为了解决上述两类EDI组件中所存在的浓水室中结垢的问题，本实用新型提出了一种使淡水和浓水水流以完全错流方式流动的电去离子装置，从而降低了组件浓水室中结垢的可能性，提高了组件对进水的硬度适应范围，同时避免了浓水在浓水室中流动分布的不均匀。
为实现本实用新型目的，根据本实用新型的连续电去离子装置包括平行相对的阳极和阴极；阴、阳离子交换膜，交替设置在阴极和阳极之间；阴、阳极水室，在阴极和阳极之间并分别靠近阴极、阳极，每个极水室具有与其相通的极水室进水孔和极水室出水孔；淡水室和浓水室，交替设置在阴、阳离子交换膜之间，淡水室沿淡水水流方向的上游侧和下游侧分别设淡水室进水孔和淡水室出水孔，淡水室的工作区内填充导离子材料；其中，在所述浓水室工作区的平行于淡水水流方向延伸的两相对侧，分别设浓水室进水口和浓水室出水口，浓水室进水口和浓水室出水口沿着与淡水流动方向平行的方向延伸。
特别是，浓水室的工作区中设置浓水导流部件，该导流部件是沿与淡水水流方向成0-180°角度延伸。浓水室除导流部件外，其它部分设置惰性支撑材料或可导离子材料，如惰性塑料网格。浓水室中的浓水在导流部件的控制下，沿着与淡水水流方向成0-180°角的方向流动，该角度范围为优选45-145°，最好选90°。
特别是，浓水室进水口包括浓水进水孔和由浓水进水孔延伸的长条形浓水进水分布孔；浓水室出水口包括浓水出水孔和由浓水出水孔延伸的长条形浓水出水收集孔。浓水进水分布孔最好由浓水进水口延伸至浓水室的工作区的长度；浓水出水收集孔最好由浓水出水口延伸至浓水室工作区的长度。浓水出水孔和浓水出水集水孔的排列方向与浓水进水孔和浓水进水分布孔的排列方向相反。
特别是，浓水进水布水装置设置在浓水室的工作区内靠近所述浓水进水口的一侧，浓水出水集水装置设置浓水室的工作区内靠近浓水出水口的一侧。
特别是，浓水导流部件是多孔或无孔的长条状支撑材料，如多孔塑料支撑条或无孔塑料支撑条。优选使用多孔塑料支撑条，这样可以不影响工作区的电流分布。
本实用新型电去离子装置的优点是由于具有沿着与淡水水流方向大致平行的方向延伸的浓水室进水口和浓水室出水口，以及在浓水室中设置了浓水导流部件，保证了浓水在浓水室中沿着与淡水水流方向相垂直的方向均匀流动分布，因此，不但避免了现有板框式EDI装置中浓水室易发生的结垢而导致的水流不畅、组件局部过热的问题，而且避免在浓水室中因浓水流动分布不均衡、出现流动死角而带来传质和传热等问题，如在螺旋卷式EDI中那样，由于浓水在浓水室中流动分布不均匀，出现流动死角，不能将组件中产生的热及时移出，而造成过热损坏等问题。
图1是现有技术EDI装置的结构示意图；图2是图1所示EDI装置脱除杂质离子的原理图；图3是现有技术螺旋卷式EDI装置中浓水室及浓水水流示意图；
图4是本实用新型EDI装置中淡水及浓水水流的示意图；图5是本实用新型EDI装置中淡水室模片的示意图；图6是本实用新型EDI装置中浓水室模片一个实施例的示意图，其中长条形导流部件沿着与淡水水流方向垂直的方向布置；图7是本实用新型EDI装置中浓水室模片另一实施例的示意图，其中长条形导流部件沿着与淡水水流方向成60°角的方向布置。
附图标记说明1-阳极；2-阴极；3-阴离子交换树脂；4-阳离子交换膜；5-淡水室；6-浓水室；7a-阳极水室；7b-阴极水室；8-离子交换树脂；9-螺旋卷式EDI中心管；10-螺旋卷式EDI浓水室；11-螺旋卷式EDI中心管下部分；12-螺旋卷式EDI外壳；13-螺旋卷式EDI浓水包覆膜；14-螺旋卷式EDI浓水；15-螺旋卷式EDI极水室；16-螺旋卷式EDI极水口；17-螺旋卷式EDI中心管上出口；18-螺旋卷式EDI淡水进水；19-螺旋卷式EDI淡水出水；20-淡水室上的极水进水口；20’-浓水室上的极水进水口；21-淡水室上的极水出水口；21’-浓水室上的极水出水口；22-淡水室上淡水进水孔；22’-浓水室上的淡水进水孔；23-淡水室上淡水出水孔；23’-浓水室上的淡水出水孔；24-淡水室上的浓水进水口；24’-浓水室上浓水进水口；25-淡水室上的浓水出水口；25’-浓水室上浓水出水口；26-浓水室上浓水进水布水装置；27-浓水室上浓水出水集水装置；28-浓水导流部件；29-塑料网格；30-淡水水流；31-浓水水流。
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细描述，本实用新型不限于以下公开的实施例，任何不脱离本实用新型精神和实质的修改、替换均落入由权利要求限定的本实用新型保护范围。
具体实施方式
如图5所示，在淡水室5沿淡水水流方向的上游侧、下游侧分别设置与淡水室5的工作区连通的淡水进水孔22和淡水出水孔23，使得淡水由淡水进水孔22流入时，可流过淡水室5的工作区，并由淡水出水孔23流出。在淡水室5的工作区中装填有离子交换树脂8。
在淡水室5的沿平行于淡水水流方向延伸的两相对侧，分别设置不与淡水室5的工作区连通的浓水进水口24和浓水出水口25，使得浓水由浓水进水口24流入时，不能流入淡水室5的工作区。该浓水进水口24和浓水出水口25对应于浓水室6上的浓水进水口24’和浓水出水口25’，见图6。
如图6所示，在浓水室6沿浓水水流方向的上游侧和下游侧分别设有浓水室进水口24’和浓水室出水口25’，浓水室6的该上游测和下游侧是沿着与淡水水流方向平行的方向延伸的两相对侧，使浓水室进水口24’和浓水室出水口25’也沿着大体与淡水水流方向平行的方向延伸。在浓水室6的与浓水水流方向垂直的方向，设置与淡水室的淡水进水孔22’和淡水出水孔23’，它们分别对应于淡水室两侧上淡水进水孔22和淡水出水孔23，而且不与浓水室6的工作区连通。
其中，浓水室进水口24’包括浓水进水圆孔和呈长条状的浓水进水分布孔，且分布孔平行于浓水室6工作区延伸至浓水室6的整个工作区长；浓水室出水口25’包括浓水出水圆孔和呈长条状的浓水出水收集孔，且收集孔平行于浓水室6工作区延伸至浓水室的整个工作区长。浓水进水分布孔和浓水出水收集孔大致沿着与淡水水流方向平行的方向延伸。在浓水室工作区的中间空腔与浓水进水分布孔之间，沿着浓水进水分布孔，设置有浓水进水布水装置26。同样地，在浓水室工作区的中间空腔与浓水出水分布孔25之间，设置有浓水出水集水装置27。在浓水室工作区的中间空腔处，装配若干浓水导流部件28，还可填加惰性支撑材料如塑料网格29，或添加可导离子材料如离子交换树脂。
此外，再参照图5、6所示，淡水室5和浓水室6沿淡水水流方向的上游侧和下游侧分别设有极水室进水口20和20’，极水室出水口21和21’。
另外，淡水室、浓水室的周边均设置供紧固螺钉穿过的安装孔(图中未示出)。
本实用新型EDI装置的上述结构设计，使浓水和淡水以错流方式流动由于浓水进水分布孔和浓水出水收集孔沿着与淡水水流方向平行的方向延伸，使得淡水水流方向与浓水水流方向交叉成90°角，即淡水水流和浓水水流呈错流流动，使得从淡水室5进水端脱除并进入到浓水室6中的硬度离子如钙离子和镁离子等，在对应于淡水室进水端的浓水室位置随着浓水流出组件，而避免了在对应于淡水室出水端的浓水室位置硬度离子与碳酸氢根，碳酸根和氢氧根离子等相遇，因此就防止了在浓水室6中发生结垢。
此外，可以通过在浓水室中设置与淡水水流方向成不同角度的导流部件28，如图7所示，导流部件28与淡水水流方向大致成60°角，该角度还可以为0～180°中的任意角度，使得淡水水流方向与浓水水流方向交叉成0～180°；该角度范围优选45°～135°。当该角度为90°时，淡水水流方向与浓水水流方向交叉成90°角，即淡水水流和浓水水流呈完全的错流流动。
本实用新型EDI组件中，淡水室和浓水室之间的离子交换膜可以是均相离子交换膜，也可以是多相离子交换膜。离子交换膜与淡水室和浓水室间形成密封，可以采用密封圈方式的密封，也可以采用密封胶方式的密封，或者是密封圈和密封胶组合方式的密封。
本实用新型EDI组件中除交替叠置的淡水室和浓水室外，还包括两个极水室，即阴极室和阳极室，即分别邻接阴极和阳极。
权利要求1.一种连续电去离子装置，包括平行相对的阳极和阴极；阴、阳离子交换膜，交替设置在阴极和阳极之间；阴、阳极水室，在阴极和阳极之间并分别靠近阴极、阳极；淡水室(5)和浓水室(6)，交替设置在阴、阳离子交换膜之间，其中淡水室(5)沿淡水水流方向的上游侧和下游侧分别设淡水室进水孔(22)和淡水室出水孔(23)，淡水室的工作区内填充导离子材料；其特征在于在浓水室(6)的沿平行于淡水水流方向延伸的两相对侧，分别设浓水室进水口(24’)和浓水室出水口(25’)，浓水室进水口(24’)和浓水室出水口(25’)沿着与淡水水流方向平行的方向延伸。
2.如权利要求1所述的连续电去离子装置，其特征在于所述浓水室(6)的工作区中设置导流部件(28)。
3.如权利要求2所述的连续电去离子装置，其特征在于所述导流部件(28)沿与淡水水流方向成0-180°的角度延伸，使得浓水室(6)中的浓水沿着与淡水水流方向成0-180°角的方向流动。
4.如权利要求3所述的连续电去离子装置，其特征在于所述角度范围为45-145°
5.如权利要求4所述的连续电去离子装置，其特征在于所述角度选择90°。
6.如权利要求1-5任一所述的连续电去离子装置，其特征在于浓水室进水口(24’)包括浓水进水孔和由浓水进水孔延伸的长条形浓水进水分布孔；所述浓水室出水口(25’)包括浓水出水孔和由浓水出水孔延伸的长条形浓水出水收集孔。
7.如权利要求6所述的连续电去离子装置，其特征在于， 所述浓水进水分布孔由所述浓水进水孔延伸至浓水室工作区的长度；所述浓水出水收集孔由所述浓水出水孔延伸至所述浓水室工作区的长度。
8.如权利要求6所述的连续电去离子装置，其特征是浓水出水孔和浓水出水集水孔的排列方向与浓水进水孔和浓水进水分布孔的排列方向相反。
9.如权利要求1-5任一所述的连续电去离子装置，其特征在于浓水进水布水装置(26)设置在浓水室(6)的工作区内并邻接所述浓水进水口(24’)，浓水出水集水装置(27)设置浓水室(6)的工作区内并邻接浓水出水口(25’)。
10.如权利要求1-5任一所述的连续电去离子装置，其特征在于所述浓水室和/或所述极水室中填加离子交换树脂或惰性多孔材料。
专利摘要本实用新型公开一种电去离子装置，包括平行相对的阳极和阴极；交替设置在阴极和阳极之间的阴、阳离子交换膜；靠近阴极、阳极的阴、阳极水室；淡水室(5)和浓水室(6)，交替设置在阴、阳离子交换膜之间，其中填充有导离子材料的淡水室沿淡水水流方向的上游侧和下游侧分别设淡水室进水孔(22)和淡水室出水孔(23)，在浓水室的沿平行于淡水水流方向延伸的两相对侧分别设浓水室进水口(24’)和浓水室出水口(25’)，浓水室进水口和浓水室出水口沿着与淡水流动方向平行的方向延伸。本实用新型保证了浓水在浓水室中沿着与淡水水流方向相垂直的方向均匀流动分布，避免浓水室易发生的结垢而导致的水流不畅、组件局部过热的问题。
文档编号B01D61/42GK2915240SQ200620012789
公开日2007年6月27日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者李光辉 申请人:李光辉